基于STC单片机的智能LED路灯控制器设计

　　当前巨量的能源消耗和由此引起的能源短缺、价格上涨等已使得节约能源成为一项十分迫切的任务。各国消耗的能源中很大一部分用于照明，其中城市公共照明（主要是道路照明和景观照明）在我国照明耗电中占30%.有资料显示，每年用于照明的电力在3 000 亿度以上，若采用LED 照明，每年就可以节约1/3 的照明用电，基本上相当于总投资规模超过2 000 亿元的三峡工程的全年发电量。综合以上优点，LED光源自然成为城市公共照明的首选，同时目前国内大部分城市的道路照明管理系统直至现在仍在沿用简单的光控、钟控等传统控制方式。这些系统普遍存在着难以反馈路灯运行状态信息、难以进行远程控制等局限，基本没有节电效果，并且采用传统的人工巡检，不仅使路灯管理部门的任务繁重，也增加了运行维护的费用。考虑到这些因素，本文针对LED 光源开发了智能路灯控制器。结合LED 光源的特点，并引入了电力线载波通信技术，PWM 调光技术。

　　1 LED 技术概述

　　1.1 体积小而坚固耐用

　　LED 基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体内也没有松动的部分，不易损坏。

　　1.2 耗电量低

　　一般来说LED 的工作电压是2~3.6 V.工作电流是0.02~0.03 A.这就是说：它消耗的电不超过0.1 W.

　　1.3 使用寿命长

　　当光通量衰减到80%时，其寿命达到了25 000 h.而金属卤化物灯的寿命在6 000~12 000 h,高压钠灯的寿命是12 000 h.

　　1.4 调光功能

　　由于LED 的工作范围较大，其光输出和工作电流成正比，因此可以通过减小电流的方法来调光。LED 的调光还可以采用脉冲宽度调节的方法来得到，通过调节电压的占空比和工作频率，有效调节LED 的发光强度。

　　1.5 环保

　　LED 是由无毒的材料制成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED 也可以回收再利用。

　　1.6 光色、显色性好

　　在中间视觉水平下，人眼在高色温环境里比低色温环境更容易辨别事物。白光LED 的显色性也比高压钠灯好很多，高压钠灯的显色指数只有20 左右，而白光LED 可以达到65~80.

　　2 系统的工作原理

　　智能LED 路灯控制器是作为智能路灯控制系统参考的一部分，主要由STC 单片机、采样电路、载波收发模块等组成。系统上位机的命令和控制器的反馈都通过载波模块利用电力线进行收发；路灯的电压、电流由采样电路实时采集；单片机实时处理采集的电压、电流，进行判断处理，同时判断执行上位机的指令，及时反馈路灯的信息。

　　3 硬件电路的设计

　　3.1 主要器件的选择和相关的性能

　　STC12C5404AD 单片机是一款高速、宽电压、低功耗的增强型8051 内核单片机，最高16 k 字节片内Flash 程序存储器，512 字节片内RAM 数据存储器。STC12C5404AD 有10 位ADC 通道捕获/ 比较单元，6 个16 位定时器，硬件看门狗，高速SPI 通信端口，全双工异步串行口，每个通用I/O 口驱动能力均可达到20 mA.在线可编程，无需编程器，无需仿真器，可远程升级，有效节约成本，方便客户的各种应用。

　　PL2102 是特别针对中国电力网恶劣的环境所研制开发的低压电力线载波通信芯片。它仅由单一的+5 V 电源供电，以及一个外部的接口电路与电力线耦合。PL2102 除具备基本的通讯控制功能外，还内置了五种常用的功能电路：可数字频率校正的实时钟电路、32 Bytes SRAM、电压监测、看门狗定时器及复位电路。它们通过标准的I2C 接口与外部的微处理器相联，其中实时钟与32 Bytes SRAM 在主电源掉电的情况下可由3 V 备用电池供电继续保持工作。由于采用大规模数字/ 模拟混合0.35 μm CMOS 工艺制作，所以在抗干扰、抗衰落性能以及国内外同类产品性能价格比等方面有着出众的表现。

　　3.2 通信技术特点

　　本控制器采用了主流的扩频通信技术，有效提高了通信的可靠性，同时创造性的采用动态路由算法，可靠的延长了控制范围。

　　（1）扩频通信技术其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必须的最小带宽。频带的展宽是通过编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关。接收端使用与发送端相同的扩频码进行相关解调，恢复出所传输的信息。根据香农关于信道容量的理论：

　　C=WLog2（1 十P/N）。

　　式中：C 称为信道容量；W 是频带宽度；P/N 是信号与噪声的功率比。此式说明：在保持信息容量C 不变的条件下，可以有不同的W 和P/N,亦即，如果频带宽度变宽，信道的信噪可以比较低，而可以达到同样的信道容量（有效的信息传输速率）。甚至，在信号被噪声淹没的情况下，只要相应地增加信号传输带宽，也能够达到可靠传输的目的。扩频通信就是基于这一原理。

　　（2）动态路由方法需要在集中器建立中心路由表和信息素表，各终端建立子路由表，集中器和所有终端都要建立各自的电气距离表， 用来记录与其能够直接通信的其他终端的电气距离。算法主要包含路由发现和路由维护两部分，下面分别进行描述。

　　路由发现，是指按一定的规则来寻找并发现路由，即路由逻辑树的建立过程。集中器根据目的终端的回应信号建立中心路由表，其他终端通过接收或监听电力线上的信号，根据计算出的电气距离值不断地更新其电气距离表，从而调整其可直达节点路由表。

　　载波信号从集中器出发，根据约束集的约束、信息素浓度τi,j以及问题的启发信息，按一定策略选择下一终端，直至到达目标终端。同时载波信号按原路径返回，回到集中器之后，对路径质量进行评估， 采用全局更新规则对迭代或全局最优路径上的信息素浓度进行更新。

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